微波能量傳輸技術(shù)發(fā)展及軍事應(yīng)用簡析

毛 磊 姚保寅 周 潔 潘 劍

遠距無線能量傳輸主要包括激光和微波兩種方式。前者能量集中，所需接收設(shè)備尺寸小，但大氣損耗嚴(yán)重。后者效率較高，雖對發(fā)射接收天線有一定要求，但大氣透過性好，目前仍是遠距無線能量傳輸技術(shù)研究的重點，且越來越受到國際社會關(guān)注。微波能量傳輸技術(shù)在太空太陽能電站、航天運載器供能、定向能武器、航天器間能量傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

基本概念與內(nèi)涵

微波能量傳輸是一種無線能量傳輸方式，其能量發(fā)射端借助微波功率源將直流電能轉(zhuǎn)換為微波頻率的射頻（RF）能量，經(jīng)由波束輻射傳送至能量接收端，通過接收天線和整流電路等，將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流能量。其中，發(fā)射部分旨在將輸入直流電高效轉(zhuǎn)化為微波，同時完成微波高精度發(fā)射及高效空間功率合成。

發(fā)展現(xiàn)狀及水平

日本、美國、歐盟、英國等開展了大量微波能量傳輸相關(guān)研究工作，成果顯著，其中日本和美國處于技術(shù)領(lǐng)先地位。

2 0 世紀(jì)6 0 年代初，美國人W.C.Brown首次提出微波能量傳輸概念，并于1975年由美國噴氣推進實驗室首次試驗證明遠距微波能量傳輸?shù)目尚行浴Ｃ绹哲娧芯繉嶒炇医陙矶啻螐娬{(diào)轉(zhuǎn)換太陽能為射頻能量發(fā)射到地球，并設(shè)立了太空太陽能增量演示和研究項目，以開發(fā)此類系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)，包括擬于2025年前開展減少天基太陽能航天器部件上的溫度波動試驗，打破天基太陽能捕獲和轉(zhuǎn)換的局限性以及可展開結(jié)構(gòu)概念設(shè)計等。該項目已于2022年1月進行了首次光伏發(fā)電微波傳送的端對端演示。

日本三菱科研人員于2015年開展了500米距離10千瓦的微波能量傳輸，并成功驅(qū)動接收端LED燈。按照計劃，三菱重工將在2030年至2040年將微波能量傳輸技術(shù)應(yīng)用于太空太陽能發(fā)電系統(tǒng)。歐盟于2002年構(gòu)建了歐洲研究網(wǎng)絡(luò)，用30年時間探索太空太陽能發(fā)電技術(shù)。英國于2022年宣布擬投資160億英鎊在太空建造太陽能發(fā)電站，其直徑為1.7千米，重約2000噸，擬于2040年建成運行，將為英國提供2吉瓦的電力。

關(guān)鍵技術(shù)

微波能量傳輸關(guān)鍵技術(shù)包括高增益天線與高精度波束控制技術(shù)、高轉(zhuǎn)換率微波整流技術(shù)、電能有效存儲技術(shù)等。其中，微波發(fā)射機是微波無線輸能系統(tǒng)的發(fā)射組件，由微波信號源和功率放大器組成。前者產(chǎn)生毫瓦級微波射頻信號，經(jīng)功率放大器放大，實現(xiàn)直流電壓到微波射頻能量的轉(zhuǎn)化。微波傳輸頻率一般選擇2.45吉赫茲、5.8吉赫茲和35吉赫茲等。

高增益天線與高精度波束控制技術(shù)為實現(xiàn)微波能量遠距離功率傳輸，需要降低電磁波傳播過程中的空間損耗，同時以波束指向尖銳的定向性電磁窄波束作為發(fā)射和接收波束。目前有以下幾種運動目標(biāo)波束控制策略。

微波能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用最大接收功率實現(xiàn)輻射定向。相控陣基于多天線單元或子陣列天線，常用于遠距微波無線能量傳輸中電磁窄波束形成。每路射頻通道與一個天線單元或子陣列相連，輸出同頻微波信號，在空間相干形成電磁窄波束，其指向精確控制可通過調(diào)節(jié)射頻通道內(nèi)微波信號相位，改變天線單元或子陣列的饋電相位來實現(xiàn)。研究人員提出了旋轉(zhuǎn)矢量法、近場探針法、互耦測量法等，來測量相控陣方法中相位和幅度誤差，以實現(xiàn)精準(zhǔn)輻射定向。

在輻射定向時，輕微角度誤差將會引起波束指向偏差。實際校準(zhǔn)過程中，移相器因位數(shù)和性能有限，是主要誤差源之一。為減少誤差，研究人員提出了迭代疊加策略，基于相控陣天線的旋轉(zhuǎn)矢量校準(zhǔn)法，通過最大接收功率實現(xiàn)輻射定向。如輻射定向的迭代疊加圖所示，Ei為整流天線處輻射元產(chǎn)生的電場矢量。其中，i=1，2，...M×N，M和N為相控陣維度。理想的定向輻射所有電場矢量同向，以形成最大電場。因自由空間實際影響，電場矢量經(jīng)迭代疊加后經(jīng)算法處理，這些電場矢量偏差將會被消除，以形成近理想排列，同時產(chǎn)生最大電場和最大接收功率。相對于傳統(tǒng)相控陣方法，該法需要大量迭代，針對快速移動目標(biāo)，易產(chǎn)生誤差。為此，研究人員提出基于導(dǎo)引信號的輻射定向法。

5.8GHz微波能量傳輸系統(tǒng)中方向回溯技術(shù)原理圖

基于導(dǎo)引信號的輻射定向法。最大接收功率法耗時較長的問題，可通過導(dǎo)引信號到達方向估計法來解決，稱為方向回溯技術(shù)。兩個相控陣天線各自中心的子天線接收2.9GHz導(dǎo)引信號，經(jīng)低通濾波器（LPF），與本地振蕩器信號混合產(chǎn)生中頻信號，饋送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在數(shù)字控制單元中，基于相位共軛的算法將相控陣天線與參考天線相位差反轉(zhuǎn)。濾波后的參考相位在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化器變頻至中頻前，經(jīng)光纖系統(tǒng)傳輸，具備抗干擾能力。數(shù)字信號處理器提供給子陣列天線含相位信息的數(shù)字輸出信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換器為每個發(fā)射天線單元提供中頻模擬信號，經(jīng)三級濾波和變頻，輸出5.8GHz發(fā)射信號。每路信號相位控制在中頻，以保證相位共軛保持在5.8GHz。研究人員還提出位置及角度校正法，以進一步提升方向回溯技術(shù)性能。該法需對接收機發(fā)送的導(dǎo)引信號進行處理，以使其相位可在每個天線單元測量到。基于PAC算法的方向回溯系統(tǒng)原型已完成，結(jié)果顯示在采用2.94GHz導(dǎo)引信號時，相位補償誤差≤1°。

時間反演（TR）是近年發(fā)展出的一種新型自適應(yīng)空間電磁波傳輸技術(shù)。時間反演鏡將接收到的電磁信號在時域上進行翻轉(zhuǎn)，并重新發(fā)射出去。其工作流程如下：接收端信標(biāo)源向TR天線發(fā)射信標(biāo)信號，TR天線將接收到的信標(biāo)信號進行逆時處理后再發(fā)射，電磁波將自動聚焦于原點，克服多徑效應(yīng)，表現(xiàn)出環(huán)境自適應(yīng)性和空時聚焦效果。

輻射定向的迭代疊加（左：理想型，中：實際型，右：應(yīng)用迭代疊加策略后）

微波接收天線是微波無線輸能系統(tǒng)接收組件之一，增益越高，接收功率越大，另外還要兼顧口徑面積和效率。不同接收天線架構(gòu)會導(dǎo)致不同功率轉(zhuǎn)換效率。接收天線形式有偶極子、八木天線、微帶天線以及拋物面天線等，目前以微帶天線為主。

高轉(zhuǎn)換率微波整流技術(shù)微波能量傳輸整流一般過程如下：輸入低通濾波器對來自接收陣列天線的射頻信號進行濾波，使工作頻點的能量低差損通過，阻礙其他頻率分量，并對整流二極管產(chǎn)生的高次諧波分量進行反射；整流二極管將射頻信號整流為DC；整流后的直流電壓脈動成分很大，采用直通濾波器平滑濾波，以在負(fù)載端獲得穩(wěn)定的直流電壓。當(dāng)二極管截止時，高次諧波被束縛在輸入和輸出濾波器間，射頻能量被反復(fù)整流，能夠提高二極管轉(zhuǎn)化效率。輸入濾波器與整流二極管間的匹配由匹配電路實現(xiàn)。

由于二極管的非線性，在整流過程中會產(chǎn)生大量的高次諧波，導(dǎo)致阻抗不匹配，整流效率低下。因此，需對整流電路優(yōu)化設(shè)計，通過微波整流技術(shù)將微波能量高效轉(zhuǎn)化為直流穩(wěn)壓電源，供后端負(fù)載直接使用。

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同，整流電路可以分為半波整流電路、倍壓整流電路和橋式整流電路。以橋式整流電路為例，當(dāng)一個高頻信號加入電路時，在信號的正半周期的時候，二極管D1、D3導(dǎo)通，信號通過負(fù)載R1并對電容C1進行充電，將其電壓值充電到接近信號源電壓峰值；當(dāng)信號達到負(fù)半周期的時候，二極管D2、D4處于導(dǎo)通狀態(tài)，電容C1也同時對負(fù)載進行放電，最終在多次重復(fù)充放電之后，負(fù)載電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。研究人員提出多種策略，以解決阻抗不匹配問題，從而實現(xiàn)電路優(yōu)化。

電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)（RCN）：設(shè)置在射頻源與差分整流器之間，可降低輸入阻抗對輸入功率的敏感程度，提高匹配性能，進而拓寬輸入功率。研究表明，當(dāng)輸入功率在5.5～33.1dBm變化時，應(yīng)用RCN，可使整流效率保持在50%以上。

支線耦合器：可在很寬的輸入功率、工作頻率和輸出負(fù)載范圍內(nèi)工作。其整流器典型結(jié)構(gòu)由兩個相同的子整流電路和一個帶接地隔離端口的支線耦合器組成。當(dāng)輸入功率、輸出功率和工作頻率同時變化時，會造成阻抗失配。支線耦合器策略可提升匹配性能，減少因阻抗失配導(dǎo)致的功率損失。當(dāng)工作頻率變化時，耦合器的幅度和相位特性將發(fā)生緩慢變化，導(dǎo)致性能提升有限。為此，研究人員又提出二階耦合器，比一階耦合器具有更大的帶寬。支線耦合器策略使兩個主支路反射的功率有效傳輸?shù)焦β驶厥罩罚ㄟ^功率重復(fù)利用，提高了整流效率。

橋式整流電路原理圖及波形圖

此外，近年研究人員還嘗試將超材料/超表面引入到整流電路的設(shè)計之中，采用了多種不同的諧振器單元結(jié)構(gòu)與整流二極管進行共形集成，包括緊耦合天線單元、偶極子單元以及頻率選擇表面等。如李龍團隊于2021年提出了一種雙頻段、寬角、極化不敏感、緊湊、小型化的整流超表面，在實現(xiàn)完全移除匹配網(wǎng)絡(luò)和合路網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，在2.4 GHz 和5.8GHz的射頻-直流轉(zhuǎn)換效率分別為79%和69%。

電能有效存儲技術(shù)接收到的電能可用來為動力系統(tǒng)提供電源，但額外電能如不存儲轉(zhuǎn)化則會變成電熱損耗，如何有效存儲電能是一個關(guān)鍵問題。可采用超級電容存儲和電化熔鹽的方法。

利用超級電容存儲電能。作為介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的特殊電容器，超級電容器兼具前者大電流快速充放電特性與后者儲能特性，通過電極與電解質(zhì)間形成雙層界面來存儲能量。因庫侖力、分子間力及原子間力的作用，當(dāng)超級電容器電極與電解液接觸時，固液界面會出現(xiàn)穩(wěn)定和符號相反的雙層電荷。超級電容器功率密度可達10kW/kg，遠高于蓄電池，具備-40℃～80℃的工作溫限，經(jīng)過50萬次至100萬次的充放電循環(huán)后性能變化很小，且生產(chǎn)過程不使用重金屬和其他有害化學(xué)物質(zhì)，綠色環(huán)保。

基于電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)的整流器結(jié)構(gòu)圖（左）和支線耦合器策略結(jié)構(gòu)圖（右）

利用熔鹽儲電。熔鹽儲電技術(shù)利用電力將熔鹽加熱后存儲，在需要時通過熔鹽放熱，由汽輪機將其重新轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽@使得利用富余電能的電網(wǎng)級儲能成為可能。該法轉(zhuǎn)化效率雖低，只能得到收集能量的40%，但成本較電池儲能低廉很多，因而依然具備競爭力。一個傳統(tǒng)50MW光熱項目的儲熱系統(tǒng)含熱罐和冷罐，尺寸為直徑70英尺、高約30英尺。在直接儲電應(yīng)用市場，可利用現(xiàn)成工業(yè)電加熱裝置將罐中約5000噸熔鹽加熱。

除以上兩種化學(xué)儲能方式外，機械儲能和電磁儲能也常用于電能存儲，但往往對地形和成本有一定要求。

應(yīng)用前景

微波能量傳輸主要應(yīng)用于太空太陽能電站、航天運載器供能、天基定向能武器和航天器間能量傳輸?shù)龋涞湫蛻?yīng)用即太空太陽能

太空太陽能電站也稱天基太陽能電站，在太空將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過微波等傳輸?shù)降孛骐娏ο到y(tǒng)，主要含太陽能發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)換和發(fā)射裝置以及地面接收和轉(zhuǎn)換裝置。太空太陽能電站根據(jù)是否具有聚光系統(tǒng)可劃分為非聚光對日定向型、非聚光梯度穩(wěn)定型和聚光型三種。

美國防部在2020年5月第6次發(fā)射升空的X-37B太空飛機上，搭載了邊長為30厘米的光伏射頻天線模塊，開展天基太陽能發(fā)電實驗，成功產(chǎn)生了10瓦左右的能量。

可重復(fù)使用運載器供能利用微波供能的可重復(fù)使用運載器可把地面和空中供給的微波能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽苯域?qū)動可重復(fù)使用運載器，可降低重量。陸基微波供能可重復(fù)使用運載器主要通過在運載器底部安裝熱交換器，通過位于地面的微波相控陣天線獲得能量，將能量轉(zhuǎn)化為推力。

陸基大功率微波能量傳輸裝置為航天運載器供能概念圖

可重復(fù)使用運載器只需攜帶動力裝置和載荷，無需攜帶危險燃料，待抵達軌道完成任務(wù)后，可滑翔返回地面，重復(fù)使用。微波推動的可重復(fù)使用運載器可將200千克載荷送入低地球軌道，滿足一些衛(wèi)星的發(fā)射需求。美國衛(wèi)星成像初創(chuàng)公司行星實驗室研制出一種微波驅(qū)動可重復(fù)使用運載器發(fā)動機，通過大規(guī)模電池組從普通電網(wǎng)汲取能量，將其轉(zhuǎn)化為微波，由一組模塊化微波天線相位陣列接收，然后朝航天運載器上的一臺熱交換器發(fā)射微波能量束，熱交換器借此加熱燃料箱中的氫，產(chǎn)生能量后驅(qū)動航天運載器進入軌道。

天基定向能武器太陽能衛(wèi)星可接收地面指令，改變微波強度和發(fā)送方向，摧毀敵方目標(biāo)，可作為定向能武器。美國太空導(dǎo)彈防御體系，即通過強微波來摧毀敵方導(dǎo)彈。天基定向能武器先由太陽能衛(wèi)星提供初級能量，再由地面發(fā)出攻擊指令，調(diào)整波束方向，發(fā)射高能微波摧毀敵方武器裝備。

航天器間能量傳輸微波能量傳輸技術(shù)將太陽能衛(wèi)星電能傳輸給其他功能衛(wèi)星，實現(xiàn)航天器間的能量傳輸，可解決供電技術(shù)對航天器束縛，提高續(xù)航時間，降低航天器成本和重量。俄羅斯及前蘇聯(lián)科學(xué)家提出發(fā)射子母衛(wèi)星的方法，由母衛(wèi)星通過大功率微波發(fā)射天線向子衛(wèi)星輻射微波能量，子衛(wèi)星不需要攜帶任何燃料及動力裝置，以在子衛(wèi)星內(nèi)形成良好微重力環(huán)境，有利于培養(yǎng)高質(zhì)量晶體。

結(jié)語

微波能量傳輸技術(shù)具有傳輸距離遠、功率大、環(huán)境適應(yīng)性強、可攜能通信等優(yōu)點。目前各國積極探索將微波能量傳輸技術(shù)應(yīng)用于太空發(fā)電、天基定向能武器、高空飛行器供能等領(lǐng)域，并取得階段性進展。建議國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)：一是繼續(xù)加強微波能量傳輸在太空太陽能電站中的應(yīng)用研究，搶占新型能源供給研發(fā)的制高點，并重視國際合作。二是大力開展大規(guī)模相控陣天線系統(tǒng)技術(shù)，微波精確波束控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)和工藝攻關(guān)。如優(yōu)化微波無線能量傳輸系統(tǒng)配置，突破大功率超高精度微波波束方向控制與高效率傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)和工藝，從而實現(xiàn)天地間大功率超高精度的微波能量傳輸?shù)取?/p>